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北京邮电大学硕士生学位论文 c a n 总线和g p r s 在远程监控系统中的设计和研究 摘要 随着电子信息技术的发展，虚拟仪器技术已大量应用于工业控制 等相关领域，虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效 灵活的软件来完成各种测试、测量和其他自动化的应用；而网络技术 的日益成熟，使得远程监控也越来越成为当今监控系统的发展方向。 本文实现了一种在工程现场采用c a n 总线进行数据采集，而利用 g p r s 进行数据传输的远程监控系统。由于q 埘总线以通信能力强、 可靠性高、实时性好、传输距离远、成本低等方面的优势，成为最具 发展潜力的现场总线之一；g p r s 可以实现在任何时间、任何地点方 便的通过无线网络与服务器连接，而且成本价格低廉，系统的整体设 计选择了c a n 总线和g p r s 作为基本框架。软件部分编写使用n i 公司的l a b w i n d o w s c v i ，它是一个完全的a n s ic 开发环境，用于 仪器控制、自动检测和数据处理等的应用软件。 本文首先对c a n 总线和g p r s 的特点、原理及发展状况做了的介 绍，接下来的三个章节着重描述了系统的总体设计、具体实现和测试 结果，分别完成了对系统硬件、软件的设计和实现以及整个远程监控 系统的测试和分析。具体过程：先将现场待采集的温度、压力、流量 等数据通过c a n 总线采集到计算机中，然后将这些数据整理并加入 缓存区，通过g p r s 模块发送到本地服务器上，最后将接收到的数据 显示在软件界面中，实现对现场系统运行的远程监控，并且将其保存 到e x c e l 文档，以便进一步的分析处理。 目前系统运行良好，基本实现了预期的目标。 关键字：c a n 总线g p r s 远程监控l a b w i n d o w s c v i 北京邮电大学硕士生学位论文 d e s i g na n dr e s e a r c ho f ( 二a n b u sa n dg p r si n t h er e m o t em o n i t o rs y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ci n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , v i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g yh a sal a r g en u m b e ro fa p p l i c a t i o n si nt h ei n d u s t r i a l c o n t r o la n dr e l a t e df i e l d s t h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi st h eu s eo f h i g h p e r f o r m a n c em o d u l a rh a r d w a r e ，c o m b i n e dw i t ht h eh i g h l ye f f i c i e n t a n df l e x i b l es o f t w a r et oc o m p l e t eav a r i e t yo ft e s t ，m e a s u r e m e n ta n do t h e r a u t o m a t i o na p p l i c a t i o n s ；t h en e t w o r kt e c h n o l o g yh a sd e v e l o p e ds o s o p h i s t i c a t e dt h a tt h er e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gb e c o m em o r e a n dm o r ep o p u l a ri nt h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m s i nt h i sp a p e r , t h ec a n b u si su s e dt oc o l l e c tt h ed a t a a n dt h eg p r s m o d u l et ot r a n s m i tt h ed a t ai nt h es y s t e m c a n b u sh a sb e e no n eo ft h e m o s tp r o m i s i n gi n d u s t r y sf i e l d b u sb e c a u s eo fi t sv a r i o u sa d v a n t a g e ss u c h a sr e l i a b i l i t y , r e a l t i m e 1 0 n gt r a n s m i s s i o nd i s t a n c ea n dl o wc o s t g p r s m o d u l e ，w h o s ec o s ti sl o w e rt h a no t h e r s ，c a nc o n n e c tt h es e r v e r sw i t ht h e w i r e l e s sn e t w o r ka n y t i m ea n da n y w h e r e s ot h ec a n b u sa n dg p r sh a s b e e nc h o s e na st h eb a s i cf r a m e w o r ki nt h es y s t e m s o f t w a r ei su s e dt h e n i sl a b w i n d o w s c v lw h i c hi sac o m p l e t ea n s icd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n tf o ri n s t r u m e n tc o n t r 0 1 a u t o m a t i o nd e t e c t i o na n dd a t a p r o c e s s i n ga p p l i c a t i o n s i nt h i sp a p e r , f i r s t l yt h ef e a t u r e s t h e o r i e sa n dd e v e l o p m e n t so fc a n b u sa n dg p r sa r ei n t r o d u c e ds i m p l y ；t h en e x tt h r e ec h a p t e r s ，w h i c h d e s c r i b et h es y s t e md e s i g n ，t h ea c h i e v e m e n ta n dt e s tr e s u l t s ，w e r e c o m p l e t e do nt h es y s t e mh a r d w a r e ，s o f t w a r ed e s i g na n dt h et e s t i n ga n d a n a l y s i so ft h ew h o l er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m f i r s t ，t h et e m p e r a t u r e ， p r e s s u r e ，f l o wa n do t h e rd a t aa r ec o l l e c t e dt oac o m p u t e rw i t ht h e c a n b u s ；t h e nt h ed a t aa r ec o l l a t e da n ds e n tt ot h el o c a ls e r v e rw i t ht h e g p r sm o d u l e ；a tl a s t t h ed a t aw i l lb er e c e i v e da n dd i s p l a y e do nt h e s o f t w a r ei n t e r f a c ei nl o c a ls e r v e rc o m p u t e r t h r o u g ht h e s et h r e es t e p s t h e s y s t e mh a sb e e nm o n i t o r e dr e m o t e l y , a n da l lt h ed a t aa r es a v e dt ot h e e x c e lf i l ef o rt h ef u r t h e ra n a l y s i so ft r e a t m e n t c u r r e n t l yt h es y s t e mi sr u n n i n gw e l l a n dt h eb a s i cd e s i r e dg o a lh a s b e e nr e a l i z e d 2 北京邮电大学硕士生学位论文 k e yw o r d s ：c a n b u sg p r sr e m o t em o n i t o r l a b w i n d o w s c v i 3 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：獐塞j 刍 本人承担一切相关责任。 日期：型：至：兰 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期：碰三：乏 醐：上手l 北京邮电大学硕士生学位论文 第一章绪论 地源中央空调系统以水源热泵技术为依托，作为一种有益于环境保护和可 持续性发展的冷热源形式，已经引起了国内建设机构、设计单位、房地产商和生 产厂商以及公众的广泛兴趣。地源中央空调系统可以有效利用地球表面浅层地热 资源作为冷热源，即有效利用水体中蕴藏的低温位热能，进行能量转换的供暖空 调系统。地表浅层地热资源可以称之为地源，是指地表土坡、地下水或河流、湖 泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集 热器，收集了4 7 的太阳能量，比人类每年利用能量的5 0 0 倍还多。它不受地域、 资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再 生能源，使得地源也成为清洁的可再生能源一种形式”1 。 随着自动化技术的发展，设备监控与通信技术的结合同益紧密，数据监控 方式也在发生着变化。传统的监控的实现方式有以下几种：铺设光纤或电缆，采 用数传电台，租用运营商专用线路等1 。铺设光纤或电缆属于有线数据传输方式， 受布线的局限较大，增加或减少一个被监控对象都不太容易。尤其是在环境恶劣、 偏远的地方，由于人员缺乏，不利于布线，布置有线的i n t e m e t 连接成本高，线 路受外界环境的影响较大，易老化，一旦由于线路损坏而不能及时监测设备的运 行状况，会造成很大的经济损失。对于后两种方式需要自己建设或租用运营商专 线，维护和建设费用比较高。 传统的监控手段的监控者和被监控对象都是固定的，无论任何一端都无法 随意移动，并且针对偏僻、偏远地域监控不容易的实现。因此，传统的远程监控 方式无法满足监控系统日益发展的要求。针对这种情况，本文提出了一种基于 g p r s 的无线传输终端系统，利用g p r s 无线传输，需要借助i n t e r n e t 公网作为 传输媒介，系统移放便利，受地域的影响较小，只要是有移动网络的地方都可以 使用，而且成本低，可以替代有线的监控系统，因此是一种有效的远程监控系统， 该监控方案的基本思想是：通过微控制器驱动g p r s 模块，经过g p r s 无线网络 连接到i n t e r a c t 实现数据传输。该无线传输终端可以方便的应用于电机的远程监 控中，即把采集到i 的机组设备运行数据，通过g p r s 无线传输终端，传送到监控 中心【3 】。 1 1 地源热泵空调的发展状况 2 0 世纪8 0 年代初，我国部分高等院校开始了地源热泵的研究工作。但是， 北京邮电大学硕士生学位论文 由于我国能源价格的特殊性，以及其它一些因素的影响，地源热泵的应用推广非 常缓慢。2 0 世纪9 0 年代以后，由于受国际大环境的影响以及地源热泵自身所具 备的节能和环保优势，这项技术日益受到人们的重视。 国内地源热泵的发展与国外的两条技术路线密切相关。9 0 年代中后期，欧 洲技术由制造企业以生产机组形式引入国内，而美国技术则以政府合作项目形式 引入国内。1 9 9 7 年，中国科技部与美国能源部签署中美能源效率及可再生能源 合作议定书，成为中国地源热泵发展的一个里程碑。根据议定书的安排，在中国 建立了一系列地源热泵的示范工程，首开了政府扶持与引导地源热泵发展的先河。 进入2 1 世纪后，热泵在国内的应用越来越广泛。大批以地源热泵的设计、制造 和施工为主要业务方向的企业不断涌现，并于2 0 0 1 年和2 0 0 5 年出现了2 次发展 高潮。第一次以机组生产商为主，第二次以系统集成商和安装公司为主。国内的 发展状态与美国有些类似，初期以地下水地源热泵的应用居多。近年来，地埋管 地源热泵得到了越来越多的关注和应用。当然，地源热泵在应用过程中也出现了 很多技术或非技术问题。 随着( n - - i 再生能源法的颁布，地源热泵技术引起国家及地方政府的高度 重视。有关政府部门纷纷制定相关政策，各省市相继出台一些地方规定，有力推 进了地源热泵技术的普及。例如，北京市对利用地源热泵的项目给予财政补贴； 沈阳市要求具备条件的建筑都要使用地源热泵系统；一些城市设立专项资金和政 策，支持地源热泵技术产业化发展。目前，在政府积极支持与倡导下，地源热泵 应用日益广泛。地源热泵技术为我国建立节约型社会，解决所面临的能源问题提 供了新思路。最近几年，地源热泵技术已成为国内建筑节能及暖通空调界热门的 研究课题，地源热泵技术在我国具有良好的应用前景。 1 2 地源热泵空调原理及其优点 热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置。顾名思 义，热泵也就是像泵那样，可以把不能直接利用的低位热源( 如空气、土壤、水 中所含的热能、太阳能、工业废热等) 转换为可以利用的高位热能从而达到节约 部分高位能( 如煤、燃气、油、电等) 的目的。热泵是一种高效节能的建筑物空调 冷热源装置，利用热泵可实现建筑物的冬季供热和夏季供冷。 应用在北京奥林匹克森林公园的热泵空调系统即是典型的土壤源热泵空调 系统，它通过循环液在封闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的传热。在 冬季供热过程中，流体从地下收集热量，再通过系统把热量带到室内。夏季制冷 时系统逆向运行，即从室内带走热量，再通过系统将热量送到地下岩土中。其主 2 北京邮电火学硕士生学位论文 要特点如下1 ： 1 属可再生能源利用技术。土壤源热泵是利用地球表层所吸收的太阳能和 地热能作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地下土壤和水体不仅是一个 巨大的太阳能集热器，收集了4 7 的太阳辐射能量，比人类每年利用能量的5 0 0 倍还多( 地下的水体是通过土壤间接地接受太阳辐射能量) ，而且还是一个巨大 的动态能量平衡系统，地下土壤和水体自然地保持能量接受和散发的相对均衡。 这使得利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地能成为可能。所以说，土壤源热 泵利用的是清洁的可再生能源。 2 高效节能。土壤源热泵系统充分利用了地下土壤温度冬季比环境空气高、 夏季比环境空气低的特点，有效利用了土壤源能量，其c o p 可达到4 以上。 3 运行稳定可靠。土壤的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于 空气，是很好的热泵空调冷、热源。其温度较为恒定的特性，使得热泵机组运行 更可靠、稳定，保证了系统的高效性，也不存在空气源热泵的冬季除霜等难题。 4 环境效益显著。土壤源热泵减少了一次能源的消耗，从而降低了由此所 导致的污染物和二氧化碳温室气体的排放。设计良好的土壤源热泵机组的电力消 耗，与空气源热泵相比，可减少3 0 以上，与电供暖相比，可减少7 0 以上。 土壤源热泵机组的运行没有任何污染，可以建造在居住区内，没有燃烧，没有排 烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。 5 一机多用，应用范围广。土壤源热泵系统可供暖、制冷，还可供生活热 水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。特别是 对于同时又供热和供冷要求的建筑物，土壤源热泵有着明显优点。不仅节省了大 量能源，而且用一套设备可以同时满足供热和供冷的要求。 6 自动运行。土壤源热泵机组由于工况稳定，所以系统的设计相对简单， 部件较少，机组运行简单可靠，维护费用低；自动控制程度高，使用寿命可达2 0 年以e 。 1 3c a n 总线及g p r s 技术特点 1 3 1c a n 总线的技术特点 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总, 线，也称控制器局部网，属于现场总线的范 畴，它是一种有效支持分布控制或实时控制的串行通信网络。由于采用了许多新 技术及独特的设计，c a n 总线与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出 3 北京邮电大学硕士生学位论文 的可靠性、实时性和灵活性。其特点如下1 ： 1 c a n 为多主工作方式，网络上任何一个节点均可在任意时刻主动地向 网络上其它节点发送信息，而不分主从。在报文标识符上，c a n 上的节点分成 不同的优先级，可满足不同的实时要求，优先级高的数据最多可在1 3 4 u s 内得到 传输。 2 c a n 采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现冲 突时，优先级低的节点会主动地退出发送，而优先级高的节点可以不受影响的继 续传输数据，从而大大节省了总线冲突的仲裁时间。尤其是网络负载很重的情况 下，也不会出现网络瘫痪情况( 以太网则可能) 。 3 c a n 节点只需通过报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全 局广播等几种方式传送接收数据。c a n 的直接通信距离最远可达1 0 k m ( 速率 5 k b p s 以下) ；通信速率最高可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 。 4 c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目i j 可达1 1 0 个。在标准帧 的报文标识符有1 1 位，而在扩展帧的报文标识符( 2 9 位、1 个数几乎不受限制。报 文采用短帧格式，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低。c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，具有极好的检错效果。 5 c a n 的通讯介质可以为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。c a n 节 点在错误帧的情况下具有自动关闭输出功能，而总线上其它节点的操作不受影响。 c a n 总线具有较高的性能价格比。它结构简单，器件容易购置，每个节点的价 格较低，而且开发技术容易掌握，能充分利用现有的单片机开发工具。 6 c a n 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互联模型基础上的。不过， 由于c a n 的数据结构简单，又是范围较小的局域网，其模型结构只取o s i 底层 的物理层、数据链路层和应用层3 层，不需要其他中间层，应用层数据直接取自 数据链路层或直接向数据链路层写数据。结构层次少，利于系统中实时控制信号 的传送。 1 3 2g p r s 的技术特点 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用无线分组业务) 是一种基于g s m 的移动分组数据业务。g s m 系统发展到现在，己成为全球最大的移动通信系统， 能基本满足当前移动通信中语音通信的需求。但是，g s m 系统存在其固有的问 题，首先是容量不足和频谱利用率不高，造成频率资源紧张：而且只能提供9 6 k b s 的数据传输速率，对高速数据传输无能为力，无法满足日益增长的对移动多媒体 通信的巨大需求。g p r s 作为g s m 网络的补充，很大程度上解决了g s m 系统存 在的问题。g p r s 的主要特点有以下几点”1 ： 4 北京邮电大学硕士生学位论文 1 g p r s 采用分组交换技术，分组交换的基本过程是把数据先分成若干个 小的数据包，可通过不同的路由，以存储转发的接力方式传送到目的端，而组装 成完整的数据。分组交换基本上不是实时系统，延时也不固定，但可以使不同的 数据传输“共用传输带宽：有数据时占用带宽，无数据时不占用，从而分享资 源。同时分组交换可以提供灵活的差错控制和流量控制，主要是在端到端的高层 进行，以减少中间网络低层环节不必要的开销；也可以在网络部分环节上增加控 制，提高安全性。另外通过设置服务等级等手段，可以有效的控制和分配延时、 带宽等性能，所以分组交换非常适用于数据应用。 2 提供更高的数据传输速度，改变了以往单一面向文本的数据应用，使得 包括图片、语音和视频在内的多媒体业务成为现实。g p r s 手机用户可以随时收 发电子邮件，发送彩色数码相片及大容量档案，以及网上游戏。 3 “永远在线的特点，即用户可以随时与网络保持联系。比如用户访问 互联网时，点击某个网页，手机就在无线信道上发送和接受数据，主页下载到本 机后，没有数据传送时，手机释放所有的无线频道给其他的用户使用，但网络和 用户之间还保持着逻辑上的连接，当用户再次点击时，立即向网络请求无线频道 用来传送数据。 4 g p r s 网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。g p r s 网本身 就是一个分组型数据网，支持t c p i p 、x 2 5 协议，无需经过p s t n 等网络的转 接，直接与分组数据网( 护网或x 2 5 网) 互通，接入速度仅几秒，快于电路型数据 业务。支持口协议和x 2 5 协议。 5 通信费用低。g p r s 是根据用户传输的数据量而不是上网时间来计算的。 实时性好。与短消息服务比较，系统没有时延，能很好的满足系统对数据采集和 传输实时性的要求。 g p r s 支持因特网上应用最广泛的正协议和x 2 5 协议。而且由于g s m 网覆 盖面广，使得g p r s 能提供i n t e m e t 和其它分组网络的全球性无线接入。 1 4 系统的整体设计 如图1 - 1 所示，整个远程监控系统分为现场c a n 网络的数据采集和本地p g r s 数据接收两个部分j 现场需要采集的如温度、压力、流量和机组功率等空调运行 数据，通过相应的传感器连接到c a n 网络中，由现场的计算机完成软件的运行 和数据的采集。g p r s 远程传输部分主要是将已采集的数据经过压缩整理，再由 g p r s 模块经g p r s 和i n t e m e t 网络发送到本地的服务器上。 s 北京邮电大学硕士生学位论文 c a n 节点l c a n 节点n t0t 士 上 。 i + 工 、 l a n r 现场采集 叫隙s 模块l 计算机 i ，一一， 本地 。一一、g p r s 网绍t e r n e t g p r se r n 网绍 服务器 r 、一一 一 图卜1 远程监控系统的整体设计框图 1 5 课题意义和任务 随着计算机技术的快速发展，计算机的管理及技术支持，特别是远程监控的 需要，远程操作及控制技术越来越引起人们的关注。对于管理员、技术服务人员 来说，远程监控提供了一种便捷、高效的手段。尤其是进入2 0 世纪9 0 年代以来， 网络和信息技术的迅猛发展推动了分布式网络化的应用。 远程监控所实现的功能如下： 采集与处理功能：主要是对生产过程的各种模拟或数字量进行检测、采样和 必要的预处理，并且以一定的形式输出，为管理人员提供详实的数据，帮助他们 进行分析，以便了解生产情况； 管理功能：利用己有的有效数据、图像、报表等对工况进行分析、故障诊断、 险情预测，并以声光电的形式对故障和突发事件报警； 控制功能：在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控 制输出，直接作用于生产过程。 随着网络技术的不断发展，远程监控将更多地应用在企业生产过程的管理中， 专业技术人员可以通过互联网来管理和维护生产过程，优化生产工艺，提高设备 的可用率，最终降低生产成本，提高效益。 本文所设计的系统采用c a n 总线和g _ p r s 技术，具有费用低廉、建设周期 短、可靠性高、实时性强等特点，实现对奥运森林公园地热空调系统进行远程监 控，所做的主要工作有如下： 1 深入的研究了c a n 总线和g p r s 协议及其通讯原理； 6 北京邮电大学硕士生学位论文 2 设计了远程监控系统总体方案； 3 制定了远程监控系统通信协议； 4 采用l a b w i n d o w s c 编写了现场控制及传输程序； 5 在对现场空调系统的各项数据的采集和传输进行了调试实验。 7 北京邮电大学硕士生学位论文 第二章c a n 总线和g p r s 的原理和特点 2 1c a n 总线的原理及特点 2 1 1c a n - b u s 基本原理 1 9 9 1 年9 月b o s c h 公司制定并发布了c a n 技术规范( v e r s i o n 2 0 ) ，该技术 规范包括a 和b 两部分。c a n 2 0 a 协议规范了标准帧格式，c a n 2 0 b 协议规范 定义了扩展帧格式。此后，1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运载功能。数 字交换高速通讯控制器局域网( a 钒) 国际标准i s o l l 8 9 8 ，为c a n 协议规范 的标准化、规范化的推广铺平了道路。由于现在各半导体公司的c a n 控制器几 乎都支持c a n 2 0 b 协议，而c a n 2 0 b 完全兼容c a n 2 0 a ，所以这里仅对 q 蝌2 0 b 协议规范内容做进一步的介绍。1 。 控制器局域网c a n 为串行通信协议，能有效地支持具有很高安全等级的分 布实时控制。这个技术规范的目的是为了在任何两个c a n 仪器之间建立兼容性， 为了达到设计透明度以及实现灵活性，根据i s o o s i 参考模型，c a n 被细分为 以下两个不同的层次：数据链路层和物理层，如图2 1 所示。1 。 图2 - 1c a n 的i s o o s i 参考模型的层结构 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 8 北京邮电大学硕士生学位论文 物理层定义信号是如何实际地传输的，因此涉及到位时间、位编码、同 步的解释。本技术规范没有定义物理层的驱动器接收器特性，以便允许它们 的应用，对发送媒体和信号电平进行优化。 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) m a c 子层是c a n 协议的核心，它把接受到的报文提供给l l c 子层， 并接受来自l l c 子层的报文，m a c 子层负责报文分帧、仲裁、应答、错误 检测和标定。m a c 子层也被称作“故障界定”的管理实体监督，此故障界 定为自检机制，以便把永久故障和短时扰动区别开来。 l l c 子层涉及报文滤波、过载通知以及恢复管理等功能。 2 1 2c a n 网络的拓扑结构 c a n 的告诉标准( i s 0 9 9 2 ) 规定了如图2 2 所示的拓扑结构，终端电阻标称 值为1 2 0 f l ，位速率为1 m b i t s 时，总线最大长度为4 0 m ，最大抽头长度为3 0 c m 。 在工业应用中，通常不可能使用非常短的引下线来连接一个节点。通过适当的配 置c a n 位定时参数，将信号反射影响降到最低。主要在适当配置位时间参数时， 也可使用较长的引下线。最大允许的引下线长度可由以下公式得到卜一： k c 晋 其中：t d 表示单位长度的信号传输延时； t p r o ”e g 表示传输延时段的时间长度。 图2 - 2 符合i s 0 9 9 - 2 的总线拓扑结构 1 c a n 中继器 c a n 中继器使用语c a n 主网与c a n 子网的连接，或者2 个相同通讯速率的 平行c a n 网络进行互联。c a n 中继器通过硬件电路级连接，提升总线的电气信 号，从而实现c a n 帧数据的转发，可以成倍地提高c a n 通讯距离、增加c a n 节点数目，是非常有效的c a n 网络连接工具。 9 北京邮电大学硕士生学位论文 2 c a n 网桥 c a n 网桥可以将一个独立的网络连接到数据链路层。网桥提供存储功能， 并在网络段之间转发全部或部分报文，而中继器只转发所有的电气信号。通过从 一个网络段向另一个段转发它所需的报文，集成了滤波功能的网桥可以实现多段 网络的组织结构。使用这种方式还可以控制减少不同总线段的总线负载 3 c a n 集线器 c a n 集线器的功能与c a n 网桥类似，但有较大的扩展，比如可以将多达4 路或8 路的独立c a n 网段连接在一起，从而构成星形拓扑方式或其他拓扑结构， 节省网络中c a n 网桥设备的数目，方便网络的管理。 4 c a n 网关 不同类型的网络互联是技术发展的最新潮流，c a n 网关提供不同谢意的网络 直接的连接，通常也称为“协议转换器”。c a n 网关将不同通信系统直接的协议 数据单元进行转换，如图2 3 所示。 图2 - 3 通过第7 层网关连接的两个不同通信网络系统 2 1 3 物理层标准 许多不同的标准都对信号电平、网络拓扑结构、节点数目以及对总线介质和 连接器的要求作了定义。i s o l l 8 9 8 2 是其中一个重要的标准，c i a 推荐将其应 用于工业应用c a n o p e n ，而o d v a 推荐其用于d e v i v e n e t 。图2 4 所示结构是 符合i s o l l 8 9 8 2 标准的总线介质访问单元，c a n 收发器单元最重要的特性为： 与l s 0 1 1 8 9 8 2 完全兼容 数据传输率最高可达1 m b i t s 过热保护 对地或电源电路保护 待机模式下的低功耗 一直总线的干扰 北京邮电大学硕士生学位论文 图2 - 4c a n 控制器通过p c a 8 2 c 2 51 tc a n 收发器连接到总线 2 1 4 报文传输 总线上的报文以不同的固定报文格式发送，但长度受限，当总线空闲时， 任何连接的单元都可以开始发送新的报文。报文每个帧由7 个不同的位场组成： 帧起始( s t a r to f f r a m e ) 、仲裁场( a r b i t r a t i o nf r a m e ) 、控制场( c o n t r o lf r a m e ) 、数 据场( d a t af r a m e ) 、c r c 场( c r cf r a m e ) 、应答场( a c kf r a m e ) 、帧结尾( e n do f f r a m e ) 1 2 | 。 - 帧格式 c a n 总线中有两种不同的帧格式，不同之处在于标识符的长度不同：具有 1 1 位标识符的帧叫做标准帧，而具有2 9 位标识符的帧为扩展帧。 - 帧类型 报文传输由以下4 个不同的帧类型所表示和控制： 数据帧：数据帧将数据从发送器传输到接收器： 远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同意识别符的数据帧； 错误帧：任何单元检测到总线错误就发出错误帧； 过载帧：在现行和后续的数据帧( 或远程帧) 之间提供一附加的延时。 2 1 5 编码 位流编码( b i ts t r e a mc o d i n g ) ：帧的部分，诸如帧起始、仲裁场、控制场、 数据场以及c r c 序列，均通过位填充的方法编码。无论何时，发送器只要检测 1 l 北京邮电大学硕士生学位论文 到位流里有5 个连续相同值的位，便自动在位流里插入一补充位。数据帧或远程 帧( c r c 界定符、应答场和帧结尾) 的剩余位场形式固定，不填充；错误帧和 过载帧的形式也固定，但并不通过位填充的方法进行编码。 2 1 6 错误处理 c a n 总线有以下5 种不同的错误类型： 位错误( b i te i t o i ) 单元在发送位的同时也对总线进行监视，如果所发送的位值与所监视的位值 不符合，则在此位时间旱检测到一个位错误。 填充错误( s t u f fe r r o r ) 如果在使用位填充进行编码的信息中出现了第6 个连续相同的位电平时，将 检测到一个填充错误。 c r c 错误( c r c e r r o r ) 如果计算结果与接收到c r c 序列结果不相符，则检测到一个c r c 错误。 形式错误( f o r me r r o r ) 当一个固定形式的位场含有1 个或多个非法位，则检测到一个形式错误。 应答错误( a c k n o w l e d g m e n te r r o r ) 只要在应答问隙( a c ks ) t ) 期间所监视的位不位“显性”，则发送器会检 测到一个应答错误。 2 1 7 故障界定 c a n 总线中的故障界定，单元的状态可能位以下三种之一： 错误主动：其单元可以正常地参与总线通讯并在错误被检测到时发出主 动错误标志； 错误被动：其单元不允许发送错误标志，此时单元参与总线通信，在错 误被检测到时只发出被动错误标志； 总线关闭：其单元不允许在总线上有任何影响。 c a n b u s 总线在通信能力、可靠性、实时性、灵活性、易用性、传输距离远、 成本低廉等方面有着明显的优势，成为业界最有前途的现场总线之一。 2 1 8c 州总线的报文格式 由于c a n 2 0 b 已经完全包含了c a n 2 0 a 中定义的标准帧格式，这里只对扩 展帧做详细的解释。在c a n 2 0 b 中，对于c a n 报文的2 9 为标识符和报文数据 北京邮电大学硕士生学位论文 部分的使用都作了详细的规定，其格式规定如表2 1 所示【1 6 1 。 表2 - 1c a n 2 0 b 的报文帧格式 i d 2 8i d 2 7d 2 6i d 2 5i d 2 4i d 2 3i d 2 2i d 2 1 帧 s r c m a c i d ( 源节点编号) 标i d 2 0i d l 9i d l 8i d l 7i d l 6i d l 5i d l 4i d l 3 识 d e s t m a c i d ( 标j y 点编号) 符 l d l 2i d l li d l 0i d 9i d 8i d 7i d 6l d 5i d 4l d 3i d 2l d l l d 0 a c kf u n ci d ( 功能码)s o u r c e d ( 资源节点编号) 矾= 0 d l c b y t e 0 s e g p o l o s e g n u m 帧 b y t e1 ( l e n g t h f l a g 、e r r l d ) 数 b y t e 2 据 b y t e 3 部 b y t e 4 分 b y t e 5 b y t e 6 b ”e 7 1 报文标识符的分配 报文标识符被分为5 个部分：s r c m a ci d ( 源节点编号) 、d e s t m a ci d ( 目标节 点编号) 、a c k 、f u n ct o ( 功能码) 、s o u r c ei d ( 资源节点编号) 。 2 节点编号( m a c d ) 节点编号( m a ci d ) 为是被在网络上的唯一标识，分配为8 位，范围为 o 】【0 0 0 x f e ，o x f f 作为特殊用途。所以一个c a n 网络最多制成2 5 5 个节点。 在通讯报文的标识符中指定了发送节点s r c m a ci d 和接受节点d e s t m a ci d 的编号。因此，在每次通讯过程中，通讯双方都必须检查s r c m a ci d 和d e s t m a c i d 的值是否已连接的两端点是否相同。 3 a c k ( 响应标志位) a c k 响应模式：分配1 位，占用i d l 2 该位用于区分帧类型，并表示是否需 要应答本帧。当a c k = 0 时，本帧需要应答；当a c k - - 1 时，本帧不需要应答， 或不需要应答的命令帧( 如广播帧) 。 4 f u n ci d ( 功能码) f u n ci d 功能码：分配为i d l l i d 8 共4 位，用于只是报文所需要实现的功 】3 北京邮电大学硕士生学位论文 能，具体功能如表2 2 1 1 6 。 表2 - 2 功能码( f u n ci d ) 列表 f u n ci d 功能 描述 0 x 0 0l k l v e 0 x o l 连续写端口用于对单个或多个资源：j 了点的数据写入 0 x 0 2 连续读端口j j 丁读取单个或者多个资源：市点的数据 0 x 0 3 输入端事件触发传送用丁输入输出口定时循环或状态改变传送 0 x 0 4 建立连接用丁和c a n 节点建立通讯 0 x 0 5 删除连接用于删除与c a n 节点建立的通讯 0 x 0 6 设备复位用于复位c a n 节点 o x 0 7m a ci d 检测用于检测网络上是否有相同的m a ci d 节点 0 x 0 8 0 x o er e s e r v e 0 x o f 出错响应用于指示为出错响应 5 s o u r c ei d ( 资源节点地址编号) s o u r c ei d ( 资源节点) 用于指示所要操作的设备内部单元，分配8 位。资源 节点分为两类型：i o 数据单元以及配置数据单元。 6 帧数据部分定义 帧的数据去，最多可以有8 个字节的数据，不同位置的字节具有不同的功能。 第一字节b y t e 0 用作分帧代码，从而使每帧的有效数据达到7 个。在某些特定的 帧中，b y t e l 被用作l e n g t h f l a g 、e r r l d 等参数。 2 2g p r s 的原理及特点 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 通用分组无线业务。它是利用“包交换” ( p a c k e t s w i t c h e d ) 概念所发展出的一套无线数据传输方式。采用与g s m 相同的 频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及相同的t d m a 帧结 构，这种新的分组数据信道与当前的电路交换的话音业务信道极其相似【2 0 1 。 2 2 1g p r s 的基本原理 g p r s 网络是在现有g s m 网络中增加g g s n 和s g s n 来实现的，使得用户 能够在端到端分组方式下发送和接收数据，不需要使用电路交换模式下的任何网 络资源，从而可以自主运营。 北京邮电大学硕士生学位论文 s g s n 的功能：功能类同于g s m 系统的m s c v l r ( 移动交换中心m o b i l e s w i s hc e n t e r 拜访位置寄存器一s i t e dl o c a t i o nr e # s t e r1 功能，s g s n 不仅处理 分组交换中的信令传输，同时也进行数据包的处理和传送。对移动终端进行鉴权 和移动性管理，建立移动终端到g g s n 的传输通道，接收从b s s ( b a s es t a t i o n s y s t c m ) 传送的移动终端分组数据，通过g p r s 骨干网传给g g s n 或者将分组发 送到同一服务区内的移动终端。s g s n 还可以集成计费网关、边缘网关( 负责实 现g p r s 网络之间的互连) 和防火墙的功能。 g g s n 的功能：在g p r s 数据网中的地位很类同于传统g s m 网中的g m s c ( 网 关移动交换中心) 的地位；负责产生数据业务的原始计费数据。g g s n 是连接 g p r s 网络与外部数据网络的节点。接收传输终端的数据及路由并传送到h t e m e t ， 或者将数据通过选择g p r s 网内的传输通道，传给相应的服务支持节点( s g s n ) ， 再由s g s n 将数据通过基站系统传给传输终端。从而完成终端与中心的通信。另 外g g s n 还可具有地址分配、计费、防火墙功能。 图2 - 5g p r s 的网络传输结构 图2 5 中，用户设备通过串行或无线方式连接到g p r s 终端上，g p r s 终端 与g s m 基站通信，但与电路交换式数据呼叫不同，g p r s 分组是从基站发送到 g p r s 服务支持节点( s g s n ) ，而不是通过移动交换中心( m s c ) 连接到语音网络上， s g s n 与g p r s 网关支持节点( g g s 聊进行通信，g g s n 对分组数据进行相应的 处理，再发